CN100372197C - 高功率蓝光光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高功率蓝光光纤激光器，包括前端输入耦合装置，前端输入耦合装置后设置第一光纤装置，第一光纤装置、倍频装置和第二光纤装置依次通过光纤连接构成谐振腔，第二光纤装置后设置末端泵浦装置。在前端输入耦合装置和末端泵蒲装置的双端泵浦激发下，该谐振腔变成激活腔，激光工作物质是光纤系统双包层光纤的纤芯材料，再经倍频装置实现腔内倍频，最后经输出准直透镜输出高功率的蓝光激光。本发明利用包层泵浦光纤激光器输出质量高、转换效率高等优点，采用腔内倍频结构，得到高功率、高效率的蓝光激光输出，其可广泛应用于激光存储、图像显示、激光电视、海水通讯等领域。

Description

高功率蓝光光纤激光器

技术领域

本发明涉及双包层光纤激光器，特别涉及一种高功率、高效率蓝光激光光纤激光器。

背景技术

近年来，随着包层泵浦技术的成熟，双包层光纤激光器以其转换效率高、输出质量好、结构紧凑易实现集成化等优点得到了得到了迅速的发展。光纤激光器以其体积小、输出功率高、光束质量好等优点可作为激光投影、激光电视等领域理想的红、绿、蓝三基色激光源，应用前景十分光明。如今绿光光纤激光器已实现了高功率输出，目前这一领域的发展瓶颈主要是能产生高功率水平的蓝光光纤激光器，以往都是通过激活光纤的上转换等非线性效应来产生蓝光光纤激光输出，但其输出功率低，通常在毫瓦量级且转换效率较低，限制了其应用范围，其它诸如通过固体激光器或半导体激光器产生蓝光的方案因激光器件体积庞大、效率低、代价高等固有缺陷而不能被广泛应用于投影显示、激光电视、海水通讯等需要小体积蓝光源的领域。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高功率蓝光光纤激光器，该激光器功率大、体积小、效率高、稳定性好、寿命高、噪音低。本发明的技术方案是这样实现的：

本发明的高功率蓝光光纤激光器，包括：前端输入耦合装置、第一光纤装置、倍频装置、第二光纤装置和末端泵浦装置；其特征在于，前端输入耦合装置后设置第一光纤装置，第一光纤装置、倍频装置和第二光纤装置依次通过光纤连接构成谐振腔，第二光纤装置后设置末端泵浦装置。在前端输入耦合装置和末端泵蒲装置的双端泵浦激发下，该谐振腔变成激活腔，激光工作物质是光纤系统双包层光纤的纤芯材料，再经倍频装置实现腔内倍频，最后经输出准直透镜输出高功率的蓝光激光。

所述的前端输入耦合装置包括：第一激光二极管LD泵浦源、前端二色镜、第一输入耦合透镜组和940nm高频脉冲信源振荡器；顺着水平光路方向依次设置第一激光二极管LD泵浦源、前端二色镜和第一输入耦合透镜组，三者处于同一水平光路，前端二色镜与水平光路成135°倾斜放置，信源振荡器的输出垂直于该光路，并设置在前端二色镜的正上方；

该前端二色镜镀信源振荡器输出信号的高反膜、镀第一激光二极管LD泵浦源输出泵浦光的高透膜；该第一激光二极管LD泵浦源带尾纤输出，波长与双包层光纤纤芯材料的峰值吸收波长相匹配；该第一输入耦合透镜组采用非球面透镜组或显微镜物镜。

所述的第一光纤装置包括：第一双色片、第一光纤插针、第一双包层光纤和第一光纤缠绕棒；第一双色片与第一光纤插针粘贴连接，第一双包层光纤左端插在第一光纤插针内且光纤端面紧贴第一双色片，第一双包层光纤其余部分缠绕在第一光纤缠绕棒上；

该第一双色片对前端输入耦合装置发出的泵浦光高透，对基频光波和倍频光波高反。

所述的倍频装置由第二、第三光纤插针、第一、第二自聚焦透镜及倍频晶体构成；第一光纤装置的第一双包层光纤的右端插入第二光纤插针，第二光纤插针的右端面与第一自聚焦透镜的左端面粘贴，第一自聚焦透镜的右端面紧贴倍频晶体的左端面，倍频晶体的右端面与第二自聚焦透镜的左端面紧贴，第二自聚焦透镜的右端面与第三光纤插针粘贴。

所述的第二光纤装置包括：第二双包层光纤、第二光纤缠绕棒、第四光纤插针、第二双色片；第二双包层光纤的左端插入倍频装置中第三光纤插针内，第二双包层光纤缠绕在第二光纤缠绕棒上，第二双包层光纤右端插入第四光纤插针内，第四光纤插针与第二双色片粘贴；

该第二双色片对末端泵浦装置的泵浦光高透、对基频光波高反、对倍频光波高透。

所述的末端泵浦装置由末端二色镜、第二输入耦合透镜组、第二激光二极管LD泵浦源和输出准直透镜组成；末端二色镜与水平光路成45°放置，其后设置第二输入耦合透镜组，第二输入耦合透镜组后设置第二激光二极管LD泵浦源，三者处于同一水平光路，末端二色镜与水平光路成45°倾斜放置将蓝光以垂直于该水平光路的方向输出，输出准直透镜位于该垂直光路并在末端二色镜的正上方。

该末端二色镜对第二激光二极管LD泵浦源的泵浦光高透，对输出倍频光波高反；该第二激光二极管LD泵浦源带尾纤输出，波长与第二双包层光纤纤芯材料的峰值吸收波长相匹配；该输出准直透镜为单个非球透镜或显微镜物镜。

所述的第一光纤装置包含的第一双包层光纤与第二光纤装置包含的第二双包层光纤的材料、结构特性一样，均是特殊设计的双包层光纤，具体参数如下：

纤芯材料是激光工作物质，由钕Nd³⁺、锗Ge³⁺共掺的石英玻璃制成，其纤芯直径在27-33微米之间，数值孔径在0.04-0.08之间，掺钕Nd³⁺浓度(以吸收系数表示)为5-10dB/m(泵浦波长在808-812nm间)，其多模泵浦内包层直径在120-130微米之间，数值孔径在0.38-0.45之间，多模泵浦内包层横截面外形是矩形、六边形或其他多边形结构。

所述的倍频装置的倍频晶体是具有匹配角和基频光波长相匹配的非线性晶体，如磷酸氧钛钾KTP、β-硼酸钡BBO，或是采用准相位匹配技术的周期性极化的铌酸锂PPLN、周期性极化的磷酸氧钛钾PPKTP等晶体，该倍频晶体左端面镀有对第一激光二极管LD泵浦源输出激光高透、对基频光高透、对倍频光高反的介质膜，右端面镀有对第二激光二极管LD泵浦源的输出激光、基频光和倍频光的增透膜。

所述的第一、第二光纤装置的第一、第二光纤缠绕棒的半径为35-39mm。

本发明采用钕离子(Nd³⁺)掺杂双包层光纤作为激光工作物质，利用光纤弯曲损耗有效地抑制了钕离子(Nd³⁺)1082-1090nm间的高增益激光振荡，保证其在938-942nm间的高功率振荡，并采用腔内倍频技术，倍频转换效率高，且在光纤和倍频装置之间采用光纤插针和自聚焦透镜等成熟的耦合器件与技术，耦合效率较高，实现了高功率、高光束质量的蓝光光纤激光输出。由于该激光装置采用了光纤结构，具有结构紧凑、体积小、工作稳定的特点，可实现一体化，能被广泛应用于激光电视、海水通讯等领域中。

附图说明

图1为本发明的高功率蓝光光纤激光器的结构示意图；

图2为本发明的双包层光纤的截面示意图。

下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。

具体实施方式

参照图1所示，本发明的高功率蓝光光纤激光器中，顺着光路方向自左向右依次设置着第一激光二极管LD泵浦源1、前端二色镜2、第一输入耦合透镜组3和第一双色片5，四者处于同一水平光路，前端二色镜2以与水平光路成135°倾斜放置，信源振荡器4的输出垂直于该光路，并设置在前端二色镜2的正上方，第一双色片5的右端面与第一光纤插针6粘贴连接，第一双包层光纤7的左端插在第一光纤插针6内且光纤端面紧贴第一双色片5，第一双包层光纤7的其余部分缠绕在第一光纤缠绕棒8上，第一双包层光纤7的右端插入第二光纤插针9内，第二光纤插针9的右端面与第一自聚焦透镜10的左端面粘贴，第一自聚焦透镜10的右端面紧贴倍频晶体11的左端面，倍频晶体11的右端面与第二自聚焦透镜12的左端面紧贴，第二自聚焦透镜12的右端面与第三光纤插针13粘贴，第二双包层光纤14的左端插入第三光纤插针13内，第二包层光纤14缠绕在第二光纤缠绕棒15上，第二双包层光纤14的右端插入第四光纤插针16内，第四光纤插针16与第二双色片17粘贴，第二双色片17后设置与水平光路成45°倾角放置的末端二色镜18，末端二色镜18后依次设置第二输入耦合透镜组19和第二激光二极管LD泵浦源20，且第二双色片17、末端二色镜18、第二输入耦合透镜组19和第二激光二极管LD泵浦源20四者处于同一水平光路，末端二色镜18以与水平光路成45°倾角放置将蓝光以垂直于该光路的方向输出，输出准直透镜21位于该垂直光路并在末端二色镜18的正上方。

参照图2所示，此即所用双包层光纤的截面示意图，40为光纤纤芯，41为多模泵浦内包层，42为外包层，43为保护层。其结构为中间为光纤纤芯40，光纤纤芯40外设置多模泵浦内包层41，多模泵浦内包层41外有外包层42，外包层42外设置保护层43。

具体工作过程：第一光纤装置31、倍频装置32和第二光纤装置33构成一个标准的F-P谐振腔，前腔镜为第一双色片5(镀808nm泵浦光高透膜和基频光波(938-942nm间)、倍频光波(469-471nm间)的高反膜)，后腔镜为第二双色片17(镀808nm泵浦光高透、基频光波(938-942nm间)高反、倍频光波(469-471nm间)高透膜)，各装置及部分之间的连接关系如上参照图1所示，第一、第二激光二极管LD泵浦源1、20分别从前后进行端面泵浦，经第一、第二输入耦合透镜组3、19的聚焦作用分别将泵浦激光耦合进第一、第二光纤装置31、33中的第一、第二双包层光纤7、14的内包层，将纤芯Nd³⁺激发，形成激活腔，在前端输入耦合装置30提供的高重频938-942nm间激光信号的导引下，并结合光纤弯曲损耗等实验方法对Nd³⁺1082-1090nm间四能级激光振荡的抑制，在此F-P谐振腔内建立起938-942nm间的强激光振荡，经腔内倍频装置32中倍频晶体11的二次谐波作用实现腔内倍频，最后由输出准直透镜21将得到高功率蓝光准直输出，工作过程中各部分元件的具体参数如下：

所述的前端输入耦合装置30包括：第一激光二极管LD泵浦源1、前端二色镜2和第一输入耦合透镜组3、能产生938-942nm间高频脉冲的信源振荡器4；在本实施例中，该第一激光二极管LD泵浦源1采用带尾纤输出，中心波长在808nm，最高功率可达25W的商用激光二极管，尾纤输出数值孔径为0.22，光斑大小为200微米，其输出波长与纤芯材料的峰值吸收波长相匹配；该前端二色镜2对高频脉冲信源振荡器4输出的938-942nm间的高频脉冲信号高反(在本实施例中，反射率＞98％)、对第一激光二极管LD泵浦源1输出的808nm的泵浦光线高透(在本实施例中，透射率＞99％)；该输入耦合透镜组3能将信源振荡器4的信号光耦合进双包层光纤7的纤芯并将第一激光二极管LD泵浦源1输出的泵浦光耦合进第一双包层光纤7的内包层，其采用一非球面透镜组。

所述的第一光纤装置31包括第一双色片5、第一光纤插针6、第一双包层光纤7和第一光纤缠绕棒8；该第一双色片5对前端输入耦合装置30发出的808nm的泵浦光高透(在本实施例中，透射率＞96％)，对基频光波和倍频光波高反(在本实施例中，反射率＞99％)；该第一光纤缠绕棒8半径的选择使得弯曲光纤对1082-1090nm间的激光振荡产生大于10dB的弯曲损耗而对938-942nm间的激光跃迁产生小于0.5dB的弯曲损耗。

所述的倍频装置32由第二、第三光纤插针9、13、第一、第二自聚焦透镜10、12及倍频晶体11构成；第二光纤插针9和第一自聚焦透镜10紧密粘贴，第三光纤插针13和第二自聚焦透镜12紧密粘贴，第一、第二自聚焦透镜10、12的另一面分别紧贴倍频晶体11的前后端面。

所述的第二光纤装置33包括第二双包层光纤14、第二光纤缠绕棒15、第四光纤插针16、第二双色片17；在本实施例中，该第二光纤缠绕棒15半径的选择使得弯曲光纤对1082-1090nm间的激光振荡产生大于10dB的弯曲损耗而对938-942nm间的激光跃迁产生小于0.5dB的弯曲损耗；该第二双色片17对末端泵浦装置34的808nm泵浦光高透(在本实施例中，透射率＞96％)、对基频光波(938-942nm间)高反(在本实施例中，反射率＞99％)、对倍频光波(469-471nm间)高透(在本实施例中，透射率＞90％)。

所述的末端泵浦装置34由末端二色镜18、第二输入耦合透镜组19、第二激光二极管(LD)泵浦源20和输出准直透镜21组成；在本实施例中，该第二激光二极管LD泵浦源20采用带尾纤输出，中心波长在808nm，功率连续可调，最大输出功率可达35W的商用激光二极管，尾纤输出数值孔径为0.22，光斑大小为200微米，其输出波长与纤芯材料的峰值吸收波长相匹配；该末端二色镜18对第二激光二极管LD泵浦源20的808nm的泵浦光高透(在本实施例中，透射率＞99％)，对输出倍频光波(469-471nm间)高反(在本实施例中，反射率＞98％)；第二输入耦合透镜组19将第二激光二极管LD泵浦源20的808nm泵浦光耦合进第二双包层光纤14的内包层，其通常是非球面透镜组或显微镜物镜组，输出准直透镜21采用单个非球透镜或显微镜物镜。

所述的第一光纤装置31包括的第一双包层光纤7与第二光纤装置33包括的第二双包层光纤14均采用特殊设计的组成和结构：纤芯材料是激光工作物质，由钕(Nd³⁺)、锗(Ge³⁺)共掺的石英玻璃制成，其纤芯40直径在27-33微米之间，数值孔径在0.04-0.08之间，掺钕离子(Nd³⁺)浓度(以吸收系数表示)为5-10dB/m(泵浦波长在808-812nm间)，其多模泵浦内包层41直径在120-130微米之间，数值孔径在0.38-0.45之间，多模泵浦内包层横截面外形是矩形、六边形或其他多边形结构，第一、第二双包层光纤7、14的长度分别为25m。通过这种组成和结构的设计，使得所述第一、第二双包层光纤能极大地提高其938-942nm间荧光波段的跃迁分之比。

所述的倍频装置32的倍频晶体11，在本实施例中是4×4×5mm的磷酸氧钛钾KTP晶体，采用对938-942nm间波长的II类相位匹配方式，该倍频晶体左端面渡有对808nm泵浦光高透、对938-942nm间基频光高透、对469-471nm间倍频光高反的介质膜，右端面渡有对808nm泵浦光、938-942nm间基频光和469-471nm间倍频光的增透膜。

本实例的高功率蓝光光纤激光器输出蓝光激光功率可达瓦级以上，斜效率较高，光束质量好，是理想的蓝光光纤激光源。

Claims (9)

1.一种高功率蓝光光纤激光器，包括，前端输入耦合装置(30)、第一光纤装置(31)、倍频装置(32)、第二光纤装置(33)和末端泵浦装置(34)；其特征在于，前端输入耦合装置(30)后设置第一光纤装置(31)，第一光纤装置(31)、倍频装置(32)和第二光纤装置(33)依次通过光纤相连接构成谐振腔，第二光纤装置(33)后设置末端泵浦装置(34)。

2.根据权利要求1所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述的前端输入耦合装置(30)包括：第一激光二极管LD泵浦源(1)、前端二色镜(2)、第一输入耦合透镜组(3)和940nm高频脉冲信源振荡器(4)；顺着光路方向依次设置第一激光二极管LD泵浦源(1)、前端二色镜(2)和第一输入耦合透镜组(3)，三者处于同一水平光路，前端二色镜(2)与水平光路成135°放置，信源振荡器(4)的输出垂直于该水平光路，并设置在前端二色镜(2)的正上方；

该前端二色镜(2)镀信源振荡器(4)输出信号的高反膜、镀第一激光二极管LD泵浦源(1)输出泵浦光的高透膜；该第一激光二极管LD泵浦源(1)带尾纤输出，波长与第一、第二双包层光纤(7、14)纤芯材料的峰值吸收波长相匹配；该第一输入耦合透镜组(3)采用非球面透镜组或显微镜物镜。

3.根据权利要求1所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述的第一光纤装置(31)包括：第一双色片(5)、第一光纤插针(6)、第一双包层光纤(7)和第一光纤缠绕棒(8)；第一双色片(5)与第一光纤插针(6)粘贴连接，第一双包层光纤(7)左端插在第一光纤插针(6)内且光纤端面紧贴第一双色片(5)，第一双包层光纤(7)其余部分缠绕在第一光纤缠绕棒(8)上；

第一双色片(5)对前端输入耦合装置(30)发出的泵浦光高透，对基频光波和倍频光波高反。

4.根据权利要求1所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述的倍频装置(32)由第二、第三光纤插针(9、13)、第一、第二自聚焦透镜(10、12)及倍频晶体(11)构成；第一光纤装置(31)的第一双包层光纤(7)的右端插入第二光纤插针(9)，第二光纤插针(9)的右端面与第一自聚焦透镜(10)的左端面粘贴，第一自聚焦透镜(10)的右端面紧贴倍频晶体(11)的左端面，倍频晶体(11)的右端面与第二自聚焦透镜(12)的左端面紧贴，第二自聚焦透镜(12)的右端面与第三光纤插针(13)粘贴。

5.根据权利要求1所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述的第二光纤装置(33)包括：第二双包层光纤(14)、第二光纤缠绕棒(15)、第四光纤插针(16)、第二双色片(17)；第二双包层光纤(14)的左端插入倍频装置(32)中第三光纤插针(13)内，第二双包层光纤(14)缠绕在第二光纤缠绕棒(15)上，第二双包层光纤(14)右端插入第四光纤插针(16)内，第四光纤插针(16)与第二双色片(17)粘贴；

该第二双色片(17)对末端泵浦装置(34)的泵浦光高透、对基频光波高反、对倍频光波高透。

6.根据权利要求1所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述的末端泵浦装置(34)由末端二色镜(18)、第二输入耦合透镜组(19)、第二激光二极管LD泵浦源(20)和输出准直透镜(21)组成；末端二色镜(18)与水平光路成45°放置，其后设置第二输入耦合透镜组(19)，第二输入耦合透镜组(19)后设置第二激光二极管LD泵浦源(20)，三者处于同一水平光路，末端二色镜(18)倾斜45°放置将蓝光以垂直于该水平光路的方向向上输出，输出准直透镜(21)位于该垂直光路上并在末端二色镜(18)的正上方；

该末端二色镜(18)对第二激光二极管LD泵浦源(20)的泵浦光高透，对输出倍频光波高反；该第二激光二极管LD泵浦源(20)带尾纤输出，波长与第二双包层光纤(14)纤芯材料的峰值吸收波长相匹配；该输出准直透镜(21)为单个非球透镜或显微镜物镜。

7.根据权利要求3或5所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述第一双包层光纤(7)与第二双包层光纤(14)，其纤芯(40)直径在27-33微米之间，数值孔径在0.04-0.08之间，多模泵浦内包层(41)直径在120-130微米之间，数值孔径在0.38-0.45之间，多模泵浦内包层横截面外形是矩形、六边形或其他多边形结构。

8.根据权利要求4所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于，所述的倍频装置(32)的倍频晶体(11)是具有匹配角和基频光波长相匹配的非线性晶体，指磷酸氧钛钾KTP、β-硼酸钡BBO，或是采用准相位匹配技术的周期性极化的铌酸锂PPLN、周期性极化的磷酸氧钛钾PPKTP晶体，该倍频晶体(11)左端面镀有对第一激光二极管LD泵浦源(1)输出激光高透、对基频光高透、对倍频光高反的介质膜，右端面镀有对第二激光二极管LD泵浦源(20)的输出激光、基频光和倍频光的增透膜。

9.根据权利要求3、5所述的高功率蓝光光纤激光器，其特征在于所述的第一、第二光纤装置(31)、(33)中的第一、第二光纤缠绕棒(8)、(15)的半径为35-39mm。

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